低負(fù)荷下車用重型柴油機(jī)排放與熱效率的規(guī)律研究

吳松林，韓志強(qiáng)，戰(zhàn) 強(qiáng)，吳學(xué)舜，蘇萬華

（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

低溫燃燒（LTC）作為一種新興的燃燒策略，能實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的超低排放，因此，LTC被認(rèn)為是目前最具應(yīng)用前景的燃燒控制策略之一，受到了廣泛關(guān)注［1－3］。就重型柴油機(jī)而言，在低負(fù)荷條件下，有兩種燃燒策略可以實(shí)現(xiàn)低溫燃燒：第一種是Shimazaki等在上止點(diǎn)后噴油的策略［2］，采取在上止點(diǎn)后噴油并配合大EGR率方案達(dá)到同時(shí)降低NOx和炭煙排放的目的，MK燃燒系統(tǒng)就是這種方式的成功應(yīng)用；第二種是Frank［4］等在缸內(nèi)壓縮沖程早期噴射的方案，這種方案是通過大的噴油提前角并配合大EGR率［5－6］（一般超過45%）來實(shí)現(xiàn)。

單次噴射配合大EGR率來實(shí)現(xiàn)低溫燃燒的方式僅限于低負(fù)荷工況使用，為了擴(kuò)展低溫燃燒技術(shù)的負(fù)荷瓶頸，國(guó)內(nèi)外開展了大量的研究工作并取得了一定進(jìn)展。Nicolas Dronniou［7］等對(duì)多次噴射技術(shù)進(jìn)行了研究，證明該技術(shù)能顯著改善微粒物的排放，同時(shí)顯著改善單次早噴方案的燃油濕壁問題；蘇萬華［8］提出的運(yùn)用多脈沖調(diào)制噴射并配合較大EGR率的方式在顯著降低NOx和炭煙排放的同時(shí)，將低溫燃燒擴(kuò)展到了中等負(fù)荷［9］，后續(xù)研究通過采用高增壓、進(jìn)氣門晚關(guān)相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷乃至全負(fù)荷的高密度低溫燃燒［10］，并獲得了高的熱效率以及低的NOx和炭煙排放。

本研究在1臺(tái)配備了兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過單次早噴方案實(shí)現(xiàn)了低負(fù)荷下的低溫燃燒策略，研究了該方案中EGR率對(duì)排放以及熱效率的影響規(guī)律，并探究了兩級(jí)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)的有效熱效率低的原因。

1 試驗(yàn)裝置

研究對(duì)象是WP12直列6缸重型發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)在原產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上（滿足國(guó)Ⅲ排放）重新配備了兩級(jí)廢氣渦輪增壓（常規(guī)的廢氣渦輪增壓器）系統(tǒng)、高低壓EGR回路、背壓調(diào)節(jié)閥、IVCA（進(jìn)氣門晚關(guān)）系統(tǒng)、電子控制單元等。該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)見表1，試驗(yàn)臺(tái)架示意見圖1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究采用增設(shè)背壓閥以增加排氣背壓并結(jié)合EGR回路的方式來滿足系統(tǒng)低負(fù)荷下對(duì)大EGR率的需求，為了驗(yàn)證該EGR系統(tǒng)是否能夠滿足系統(tǒng)不同EGR率的要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)上作了大量相關(guān)試驗(yàn)。如在低負(fù)荷條件下采用壓縮沖程早期單次噴油并配合大EGR率來實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，試驗(yàn)結(jié)果證明，采用電控EGR閥和背壓閥進(jìn)行協(xié)同控制的方式，可以滿足系統(tǒng)低負(fù)荷條件下對(duì)高EGR率（超過50%）的需求，并實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的超低排放。下面進(jìn)一步分析EGR率對(duì)低負(fù)荷條件下重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放以及有效熱效率的影響規(guī)律。

2.1 EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放以及熱效率的影響

以轉(zhuǎn)速1 600r／min，噴油定時(shí)－25°ATDC，進(jìn)氣門晚關(guān)角－146°ATDC，循環(huán)油量69mg為研究工況點(diǎn)，來探究低負(fù)荷條件下EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放以及有效熱效率的影響規(guī)律，其具體的試驗(yàn)參數(shù)見表2。

圖2示出EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響規(guī)律。圖3示出EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率、燃油消耗率等參數(shù)的影響。從圖2中可以看出，隨著EGR率的增加，NOx排放逐漸降低，炭煙排放呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。這是由于隨著EGR率的增加，進(jìn)氣氧濃度降低而且缸內(nèi)平均溫度也下降，EGR很好地抑制了NOx的生成；EGR率的增加在前期會(huì)延長(zhǎng)滯燃期，為油氣混合贏得了更長(zhǎng)的時(shí)間，混合也將更為均勻，故開始階段炭煙排放會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但當(dāng)EGR率再進(jìn)一步增加時(shí)，氧濃度下降過多，導(dǎo)致缸內(nèi)燃氧當(dāng)量比上升，這不利于炭煙排放降低，故炭煙排放此時(shí)會(huì)呈現(xiàn)再次上升的趨勢(shì)。在－25°ATDC噴油定時(shí)的情況下，EGR率為53%時(shí)（S2），NOx和炭煙已經(jīng)達(dá)到了很低的折中排放，分別為0.4g／（kW·h）和0.003g／（kW·h）。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)1 600 r／min低負(fù)荷條件下試驗(yàn)工況點(diǎn)

HC和CO排放均隨著EGR率的增加呈現(xiàn)不同程度的上升，這也是由于缸內(nèi)溫度和氧濃度隨著EGR率的增加而下降造成的。前期缸內(nèi)溫度的下降不利于未燃燃油的霧化和蒸發(fā)，故HC排放有所增加，氧濃度和缸內(nèi)溫度的降低均不利于CO的氧化，故CO排放也上升。圖3顯示，隨著EGR率的上升，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率上升，燃油消耗率下降，而且在循環(huán)油量一定的情況下（均為69mg），隨著EGR率從51%增加到55%，其平均有效壓力也從S1工況點(diǎn)的0.551MPa增長(zhǎng)到S3工況點(diǎn)的0.59MPa左右。

為了解釋上述規(guī)律，圖4至圖7示出在噴油定時(shí)為－25°ATDC，進(jìn)氣門晚關(guān)角－146°ATDC時(shí)，EGR率對(duì)氣缸壓力、放熱率、缸內(nèi)平均溫度以及累計(jì)放熱率的影響。從圖4可以看出，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)的最大燃燒壓力明顯降低，這是由于EGR率增加后燃油的著火時(shí)刻明顯后移，峰值放熱率下降（如圖5所示）。而燃燒質(zhì)心的推遲使得發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失和傳熱損失均有所降低，這也就解釋了隨著EGR率的增加發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率上升的原因。而從圖6可以看出，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)平均溫度略有降低。而圖7則示出隨著EGR率從51%增加到55%，由于燃燒持續(xù)期增加，累計(jì)放熱率不斷增加，這就是發(fā)動(dòng)機(jī)的pme會(huì)隨著EGR率的增加而上升的原因。

2.2 不同轉(zhuǎn)速條件下發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率變化規(guī)律

本研究在1 300r／min和1 900r／min的25%負(fù)荷工況點(diǎn)探究轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響，表3給出了該發(fā)動(dòng)機(jī)在上述工況下具體的控制參數(shù)，其中S表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，INT表示發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油定時(shí)。從表3可以看出，通過EGR閥和背壓閥的協(xié)同控制可以滿足系統(tǒng)對(duì)高EGR率的要求（＞50%）。

圖8示出不同轉(zhuǎn)速條件下，排放隨EGR率的變化，圖9示出發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、燃油消耗率等隨EGR率的變化。由圖8可以看出，在1 300r／min和1 900r／min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排放隨EGR率的變化規(guī)律與1 600r／min時(shí)的變化規(guī)律相同，但1 900r／min時(shí)炭煙排放未呈現(xiàn)隨著EGR率先增加后降低然后再增加的趨勢(shì)，這是由于在該轉(zhuǎn)速條件下EGR率的值已經(jīng)較高，當(dāng)量比較大，當(dāng)EGR率進(jìn)一步增加時(shí)當(dāng)量比快速增加，使得炭煙排放快速惡化。這也說明了在低負(fù)荷條件下當(dāng)EGR率超過一定的值時(shí)，炭煙排放會(huì)呈現(xiàn)惡化的趨勢(shì)。由圖9可以看出，在1 300r／min和1 900r／min的條件下，其熱效率、燃油消耗率、pme隨EGR率增加時(shí)的變化規(guī)律同1 600r／min時(shí)的規(guī)律是相同的。

表3 不同轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷條件下發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要控制參數(shù)

由圖9可以看出，1 900r／min時(shí)的有效熱效率要明顯低于1 300r／min時(shí)，而燃油消耗率則明顯高于1 300r／min時(shí)。為了進(jìn)一步探究這種趨勢(shì)的原因，圖10和圖11示出兩個(gè)轉(zhuǎn)速下25%負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排進(jìn)氣壓力及相應(yīng)差值的對(duì)比。

對(duì)比圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速（1 900r／min）時(shí)由渦前壓力過高，其排進(jìn)氣壓力差值很高（＞0.12MPa），而1 300r／min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排進(jìn)氣壓力值基本在0.04MPa附近。高轉(zhuǎn)速下的高排進(jìn)氣壓力差必然造成發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣負(fù)功較高，為了從數(shù)量上分析排進(jìn)氣壓力差對(duì)換氣負(fù)功的影響，本研究選擇了EGR率相當(dāng)?shù)腟2和S6工況點(diǎn)作研究。

圖12示出由發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖計(jì)算得出的不同轉(zhuǎn)速條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功、泵氣功等柱狀對(duì)比，圖13示出泵氣損失占有用功的比例。從圖12可以看出，1 900r／min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失功遠(yuǎn)大于1 300r／min時(shí)，這是排進(jìn)氣壓力差高的緣故。而從圖13中明顯可以看出，1 900r／min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失功占有用功的比例高達(dá)24.5%（該值遠(yuǎn)大于1 300r／min的9.42%），這是1 900r／min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率偏低的主要原因。高增壓提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力，但在高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)帶來排氣背壓過高的問題，因此高轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)增壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)是非常有必要的。

圖14示出發(fā)動(dòng)機(jī)在1 300r／min和1 900r／min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壓力和放熱率的對(duì)比。由圖14可以看出，相比于1 300r／min，1 900r／min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒質(zhì)心更為靠前，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒壓力也更高，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失部分中的摩擦損失功增加，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速（1 900r／min）下有效熱效率降低。

綜合來看，發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失和摩擦損失的增加綜合導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)在1 900r／min時(shí)有效熱效率偏低。

3 結(jié)論

a）基于降低低負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)排放同時(shí)提升熱效率的思路，采用了低溫燃燒策略，在低負(fù)荷條件下（pme＜0.6MPa），隨著 EGR率（＞50%）的增加，NOx和炭煙排放呈現(xiàn)同時(shí)下降的趨勢(shì)，但EGR率過大時(shí)（＞54%），炭煙排放會(huì)再次急劇惡化；

b）發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷條件下采用單次早噴射方案時(shí)，EGR率的增加有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率并降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，同時(shí)還能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力；EGR率的增加有利于推遲燃油的著火時(shí)刻以及燃燒質(zhì)心，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程摩擦損失與傳熱損失，提高有效熱效率；而隨著EGR率的增長(zhǎng)，燃燒持續(xù)期增加使得累計(jì)放熱率的增加更為直接地解釋了有效熱效率和pme增加的原因；

c）相比于低速（1 300r／min）時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速（1 900r／min）條件下由于其高壓級(jí)增壓器渦輪前壓力與進(jìn)氣壓力差值過高（＞0.12MPa），使得其換氣損失過大（占有效功的24.5%，1 300r／min時(shí)僅為9.42%），故高轉(zhuǎn)速時(shí)需對(duì)增壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)；另外發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及氣缸壓力的增加使得發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失增加，這二者綜合的結(jié)果使得發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速（1 900r／min）時(shí)有效熱效率偏低（＜35%）。

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